北斗技术的差异化应用

杨恒 中国电信股份有限公司北京研究院定位技术与应用产品线总监，高级工程师

谢鑫 中国电信股份有限公司北京研究院工程师

北斗技术的差异化应用

杨恒 中国电信股份有限公司北京研究院定位技术与应用产品线总监，高级工程师

谢鑫 中国电信股份有限公司北京研究院工程师

北斗系统是中国自主发展的卫星导航系统，兼有定位和通信特性。北斗技术在民用领域发展过程中需要考虑和GPS技术的差异化。本文重点分析了北斗在中国境内的短报文数传技术、高精度定位技术和其与通信网相结合方面的差异化优势及应用场景。

北斗导航定位系统 短报文 伪距单点定位 通信网辅助北斗定位

1 引言

北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是我国自行研制的第一个全球卫星导航与通信系统，是继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后全球第三个成熟的卫星导航系统，已初步具备亚太地区的导航、定位与授时服务能力。

除了对国家安全有重要意义以外，北斗技术在民用领域发展过程中，面临着和GPS等成熟的卫星导航系统的竞争。GPS系统已经运行多年，芯片成熟度高，价格便宜，已经形成了完整的产业生态环境。如果北斗系统没有明显的差异化发展方式，则将在和GPS的竞争中占据劣势，并影响其在应用中的推广。因此，寻找适合北斗特色技术的应用场景，是推动北斗应用发展的重点方向。

和在中国境内的GPS服务相比较，北斗系统在短报文数传技术、高精度定位技术和其与通信网相结合方面有一定的优势。本文将围绕这3方面的差异化优势，阐述中国电信在北斗应用上的研究和探索。

2 短报文技术在渔信E通中的应用

中国海域辽阔，海岸线达1.8万公里，海洋渔业水域面积300多万平方公里，从业渔民1000多万人，拥有海洋渔业船舶约28万多艘，其中20～200马力的小渔船10万艘左右。这些渔船工作在移动通信网覆盖区域之外，没有安装价格昂贵的海事卫星终端，当其遇到危险时的报警求救、定位救援时需要一种低价的定位通信手段，北斗导航系统的短报文技术是满足该需求的不二选择。

2.1 北斗短报文数传技术

和GPS系统相比，北斗卫星定位系统特有点对点双向数据传输方式。它是一种数据报告方式，以数据包的形式传输，一般用户一次最多可发送40～60个字的短报文信息。测站终端发送采用码分多址直接扩频序列调制，扩频伪码采用周期伪随机序列，发送频率为L波段，通过卫星转换为C波段由地面站接收，由中心站处理后发到卫星，再经卫星转换为S波段由测站终端或指挥型终端接收，完成一次点对点的通信。反向发送过程亦然。测站型终端和指挥型终端的最大区别在于前者只能锁定在一个波束上，而后者可以同时锁定所有波束，发送信息时也是如此，前者每次只能在单波束上发送，后者则可以同时在所有波束上发送。中国电信卫星公司已经建立了北斗短报文定位服务平台。

2.2 渔信E通业务

为了适应国际渔业管理趋势，树立我国负责任渔业的良好形象，提高我国远洋渔业管理水平，确保渔船海上航行和生产作业安全，农业部要求对所有远洋渔船分期分批实施船位监测。为了支撑农业部的管理要求，为渔民在远离陆地移动通信网覆盖的海域里提供通信、定位、救援等服务，中国电信开发了渔信E通业务，并已经在福建、山东、江苏等地实施推广，发展用户超过20万户。

中国电信的渔信E通业务系统将作业渔船分为沿岸、近海、外海作业船舶，采用短波、超短波、CDMA、卫星等不同通信手段结合实现对渔船的应急管理，具有电子海图显示的船位查询、群呼、选呼、航迹线查询、信息发布、报警处置、海上救助调度指挥和渔船信息查询管理等功能（见图1）。渔信E通业务系统利用北斗短报文通信和北斗定位技术，构建了一个海天地一体化的北斗卫星海洋渔业综合信息服务网络，该系统一方面可为渔业管理部门提供渔船船位监控、渔船紧急救援指挥、渔业政策发布、海上台风通行等服务；另一方面也可为海上渔业生产作业者提供自主导航、遇险求救；同时，中国电信还打通了北斗短报文和手机短信直接的接口，可以实现手机和北斗终端之间的点对点通信服务。

3 北斗高精度定位在车辆调度中的应用

中国地域辽阔，2013年车辆拥有量已经达到1.37亿，每年新增车辆超过1400万部。同时，中国铁路运营里程超过11.2万公里。汽车和火车机车的运营管理需要一种可靠的定位技术。目前，GPS定位技术占据了车辆定位的绝大部分市场，但随着北斗高精度定位基础设施的建设，车辆调度也出现了高精度定位的应用场景。

3.1 北斗高精度定位技术

北斗高精度位置服务基于北斗地基增强系统，通过地面通信系统或卫星播发导航信号修正量和辅助定位信号，实现北斗的高精度导航定位服务，向用户提供精密导航定位服务，以及大众终端辅助增强服务。北斗地基增强系统以北斗卫星导航系统为主，兼容其他卫星导航系统。这个系统的优势主要体现在系统初始化时间更快、稳定性更高、可快速实现高精度定位3个方面。

为得到更高的定位精度，通常采用差分技术：将一台接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

根据差分基准站发送信息的方式可将差分定位分为位置、伪距、相位差分3类。这3类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。其中，伪距差分是应用最广的一种差分。伪距差分基准站观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离，再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，并将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分技术能得到米级的定位精度。为北斗差分定位与普通北斗定位效果对比情况如图2所示，其中左边浅色轨迹为普通北斗定位效果，中间深色为北斗差分定位效果，深色右边的浅色为RTK（mm级）标定轨迹。

图1 渔信E通平台操作界面

3.2 车辆调度的高精度应用场景

由中国电信北京研究院自主研发的北斗高精度位置服务系统能够为各行业客户提供北斗高精度位置服务，其中，以亚米级位置服务为主。主要优势在于，可以基于普通的北斗终端+伪距差分的北斗定位芯片提供高精度定位能力，相对于传统的专业测绘终端，这大大降低了终端成本，从而提供了一种以较低成本实现高精度定位的解决方案，便于北斗高精度应用的规模推广。

目前，中国电信的北斗高精度定位系统已经在北京某区的公交汽车调度系统上试点，为50台公交汽车提供高精度定位调度服务，实现公交汽车的车道级定位跟踪和调度能力，为公交的精细化管理探索经验。另外，中国电信北斗高精度定位系统正在铁路机车上进行试点，以实现铁路机车在车辆编组站内车道级的调度监控能力。

4 通信网辅助的北斗定位应用

移动网辅助卫星定位技术是指通过移动网络数据通道来传递卫星定位辅助信息，从而获得移动终端位置的定位技术。中国电信在通信网辅助卫星定位技术上经验丰富，目前运营着国内唯一大规模商业的通信网辅助定位系统——gpsOne定位平台。

gpsOne定位能力平台由MPC、PDE和WARN组成。MPC为gpsOne移动定位中心，负责提供精定位请求的接入和管理；PDE是精定位定位实体，PDE根据移动终端所处环境的不同，选择A-GPS、AFLT或Cell ID方式计算移动终端的位置信息确定移动终端位置。当收到MPC的位置请求时，PDE与MSC、BSC以及MS等相关设备交换信息，利用各种测量信息和数据通过特定的算法完成具体的定位计算，并将最后的计算结果报告给MPC；广域参考网（WARN）由若干个WARN站组成，负责动态监测上空GPS卫星数据，分布在全国各地。

和移动终端上纯卫星定位技术相比较，通信网辅助的卫星定位技术优势主要有两点：一是减小终端搜星时间；二是采取了平台定位计算的方式，使得定位平台可以知道终端的精确位置。从移动互联网的发展趋势来看，目前Wi-Fi+基站的混合定位方式已经得到大规模的应用，而混合定位的时延非常小，已经能满足终端快速定位的需求。所以，未来通信网辅助北斗定位技术将体现在平台监控的应用场景中。

图2 北斗差分定位与普通北斗定位效果对比

通信网辅助北斗定位系统要求终端、操作系统、芯片和定位平台之间相互操作，所以终端、网络必须严格执行统一的定位技术标准。目前，通信网辅助的北斗定位标准已经完成，但在系统建设和终端入网测试方面还需做进一步的努力。

5 结束语

本文讨论了北斗和GPS系统相比的差异化技术和应用场景，分析了北斗短报文数传技术、高精度定位技术、通信网辅助定位技术的应用场景，为规模推广北斗应用进行了研究和探索。

1 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战.测绘学报.2010

2 中国电信.中国电信渔信E通解决方案

3 杨恒,魏丫丫,李彬,郭丹等.定位技术.电子工业出版社. 2013

DifferentiationApplication of BDS Technique

The BeiDou system has the characteristics of no blind spots and full coverage,and the capabilities of both positioning and satellite communications.The differentiation of GPS and BDS technology need to be considered in BDS civilian application.This paper focuses on the BDS short message data transmission technology,high-precision positioning technology,and the differential advantage with the combines of communication network.

BeiDou navigation satellite system,short message,pseudo-range point positioning,assisted BeiDou navigation satellite system support

2015-02-20）